Топология локальных сетей

После появления архитектуры Token Ring, разработанной корпорацией IBM и стандартизированной впоследствии в спецификации IEEE 802.5, первые примитивные  версии кольцевой архитектуры были признаны несостоятельными. Архитектура Token Ring отступила от одноранговой схемы соединений в пользу ретранслирующего концентратора. Отказ от топологии однорангового кольца в значительной степени повысил устойчивость всей сети к отказам отдельных рабочих станций. Сети архитектуры Token Ring, несмотря на свое название, реализуют топологию звезды и циклический метод доступа (см. рис. 5.3).

Реализующие звездообразную топологию локальные сети в состоянии  поддерживать цикличный метод доступа. Проиллюстрированная на этом рисунке  сеть Token Ring представляет собой виртуальное  кольцо, образованное методом доступа  по алгоритму циклического обслуживания (round-robin access method). Сплошные линии соответствуют  физическим соединениям, а штриховые  обозначают направление логического  потока данных.

Если рассматривать функциональное устройство, достаточно сказать, что  маркер доступа циклически передается между конечными сетевыми устройствами. В результате большинство людей  совершенно искренне относят архитектуру Token Ring к кольцевой топологии, хотя на самом деле эта архитектура  близка к звездообразной топологии.

РИСУНОК 5.3. Звездно-кольцевая  топология.

Топология типа «звезда»

Локальные сети звездообразной топологии объединяют устройства, которые  как бы расходятся из общей точки - концентратора (см. рис. 5.4). Если мысленно представить концентратор в качестве звезды, соединения с устройствами будут напоминать ее лучи - отсюда и название топологии. В отличие от кольцевых топологий, физических или виртуальных каждому сетевому устройству предоставлено право независимого доступа к среде передачи. Такие устройства вынуждены совместно использовать доступную полосу пропускания концентратора. Примером локальной сети звездообразной топологии является Ethernet.

Небольшие локальные сети, реализующие звездообразную топологию, в обязательном порядке используют концентратор. Любое устройство в  состоянии обратиться с запросом на доступ к среде передачи независимо от других устройств.

Звездообразные топологии  широко используются в современных  локальных сетях. Причиной такой  популярности является гибкость, возможность  расширения и относительно низкая стоимость  развертывания по сравнению с  более сложными топологиями локальных  сетей со строгими методами доступа  к среде передачи данных. Рассматриваемая  архитектура не только сделала шинные и кольцевые топологии принципиально  устаревшими, но и сформировала базис  для создания следующей топологии  локальных сетей - коммутируемой.

Коммутируемая топология

Коммутатор (switch) является многопортовым  устройством канального уровня (второй уровень справочной модели OSI). Коммутатор «изучает» МАС-адреса и накапливает  данные о них во внутренней таблице. Между автором кадра и предполагаемым получателем коммутатор создает  временное соединение, по которому и передается кадр.

В стандартной локальной  сети, реализующей коммутируемую  топологию, все соединения устанавливаются  через коммутирующий концентратор (switching hub), что и проиллюстрировано  на рисунке 5.5. Каждому порту, а следовательно, и подключенному к порту устройству, выделена собственная полоса пропускания. Первоначально принцип действия коммутаторов основывался на передаче кадров в соответствии с МАС-адресами, однако технологический прогресс внес свои коррективы. Современные устройства в состоянии коммутировать ячейки (пакеты кадров, имеющие фиксированную длину и соответствующие второму уровню структуры передачи данных). Кроме того, коммутаторы поддерживают протоколы третьего уровня, а также распознают IP-адреса и физические порты коммутатора-концентратора.

РИСУНОК 5.4. Звездообразная топология.

РИСУНОК 5.5. Коммутируемая  топология.

РИСУНОК 5.6. Объединенные в  последовательную цепочку концентраторы.

Коммутаторы повышают производительность локальной сети двумя способами. Первый способ заключается в расширении полосы пропускания, доступной сетевым  устройствам. Например, коммутатор-концентратор Ethernet с восемью портами обладает таким же количеством отдельных  доменов по 10 Мбит/с каждый, обеспечивая  суммарную пропускную способность 80 Мбит/с.

Второй способ повышения  производительности локальной сети сводится к уменьшению количества устройств, которые вынуждены использовать все сегменты полосы пропускания. В  каждом выделенном коммутатором домене находятся только два устройства: собственно сетевое устройство и  порт коммутатора-концентратора, к  которому оно подключено. Вся полоса пропускания 10 Мбит/с принадлежит  двум устройствам сегмента. В сетях, которые не поддерживают конкурирующие  методы доступа к среде передачи, например, в Token Ring или FDDI, область циркуляции маркера будет ограничена меньшим  количеством сетевых устройств.

Открытым вопросом остается изоляция трафика в больших сетях. Приемлемая производительность поддерживается исключительно сегментацией конфликтных, но не передающих доменов. Чрезмерно  насыщенный трафик в значительной степени снижает производительность локальной сети.

Выбор подходящей топологии

Четыре рассмотренные  топологии можно считать элементарными  блоками для построения локальных  сетей. Их можно комбинировать всевозможными  способами и расширять. При выборе топологии следует учитывать  в первую очередь требования к  производительности сети конкретных приложений-клиентов. Вполне вероятно, что идеальным вариантом  окажется комбинация основных топологий.

2.  Сложные топологии

Сложные топологии являются расширениями и/или комбинациями основных физических топологий. Сами по себе основные топологии целесообразно использовать только в небольших локальных  сетях. Возможность расширения сетей  основных топологий чрезвычайно  ограничена. Гораздо выгоднее оказывается  создать сложную топологию, объединив  для этого в одну локальную  сеть сегменты различных топологий.

Последовательная  цепочка

Простейшая из сложных  топологий последовательно соединяет  все концентраторы сети (см. рис. 5.6). Подобная схема получила название последовательной цепочки (daisy chaining). Соединения между концентраторами устанавливаются  с помощью их же портов. В результате построение объединяющей магистрали такого типа не связано с дополнительными  расходами.

Создание связи между  концентраторами небольших локальных  сетей представляет собой довольно привлекательный способ объединения  небольших локальных сетей. Последовательную цепочку несложно построить, для  ее администрирования не нужны специальные  навыки. Исторически сложилось так, что именно эта топология чаще всего использовалась для объединения  локальных сетей первого поколения.

Естественно, что последовательная цепочка в состоянии объединить ограниченное количество сегментов. Спецификации локальных сетей, в частности, 802.3 Ethernet, пытаются определить максимальный размер сети исходя из количества концентраторов и/или повторителей, которые могут  быть объединены в последовательную цепочку. Предложенные спецификациями физического уровня ограничения  на расстояние между устройствами, умноженные на количество устройств, и  определяют максимальный размер локальной  сети. Эта величина называется максимальным диаметром сети (maximum network diameter). Превышение диаметра отрицательно влияет на работоспособность  локальной сети. Количество концентраторов, которые могут быть соединены  в последовательную цепочку, чаще всего  определяется именно максимальным диаметром  сети. Особенно это касается современных  высокопроизводительных локальных  сетей, например Fast Ethernet, которые накладывают  жесткие ограничения на диаметр  сети и количество соединенных концентраторов.

В сетях с топологией последовательной цепочки, которые поддерживают конкурирующий  метод доступа к среде передачи, проблемы начинают возникать еще  до достижения максимального диаметра. Последовательная цепочка увеличивает  число соединений и соответственно устройств локальной сети. При  этом суммарная полоса пропускания  не расширяется и количество доменов  конфликтных сегментов не увеличивается. Рассмотренная топология просто увеличивает количество машин, пользующихся общей полосой пропускания. Машины, конкурирующие за доступ к среде  передачи, создают конфликтные ситуации и быстро ставят локальную сеть на колени.

Специалисты рекомендуют  использовать эту топологию в  локальных сетях с ограниченным количеством концентраторов в небольших  глобальных сетях.

 

Иерархии

Иерархические топологии  предполагают использование более  чем одного уровня концентраторов. Каждый уровень выполняет отдельную  сетевую функцию. На нижний ярус концентраторов возлагается задача обработки запросов на соединение между рабочими станциями  и серверами. Ярусы более высоких  уровней агрегируют низшие ярусы. Иерархическое  упорядочение оптимальным образом  подходит для локальных сетей  среднего и большого размера при  условии, что предполагается их дальнейшее расширение и повышение интенсивности  трафика.

Иерархические кольца

Реализующие кольцевую топологию  сети расширяются путем установления соединения между несколькими кольцами способом, проиллюстрированным на рисунке 5.7. Для соединения рабочих станций  и серверов используется столько  колец, сколько необходимо для поддержки  необходимой производительности. Кольцо второго яруса, будь то Token Ring или FDDT, используется для межсоединения  всех колец пользовательского уровня и обеспечения доступа к глобальной сети.

Небольшие локальные сети расширяются путем установления иерархических соединений между  несколькими кольцами. На этом рисунке  представлено эстафетное кольцо 16 Мбит/с (логически показано как кольцо, хотя на самом деле является архитектурой типа «звезда»), которое используется для объединения пользовательских станций, а также кольца FDDI, которые  используются на уровне серверов и  магистрали.

РИСУНОК 5.7. Топология иерархического кольца.

РИСУНОК 5.8. Топология иерархической  звезды.

Иерархические звезды

Звездные топологии также  могут быть созданы путем иерархического объединения нескольких несложных  сетей такой же архитектуры (см. рис. 5.8). Иерархические звезды могут состоят  из единственного конфликтного домена или с помощью коммутаторов и  мостов сегментированы на несколько  конфликтных доменов.

Топология иерархической  звезды предполагает использование  одного яруса концентраторов для  обеспечения возможности соединения пользователей и сервера и  второго яруса концентраторов, поддерживающих магистраль передачи данных.

Иерархические комбинации

Общая производительность сети может быть повышена только в случае соблюдения всех требований, которые  накладываются на отдельные компоненты. Современные коммутирующие концентраторы  позволяют одновременно использовать преимущества нескольких технологий. Для поддержки новой топологии  достаточно вставить в концентратор соответствующую плату. Иерархическая  топология представляет собой комбинацию различных топологий (см. рис. 5.9).

В этом примере комбинированной  иерархической топологии магистраль, поддерживающая асинхронный режим  передачи (Asynchronous Transfer Mode - ATM), используется для соединения пользовательских концентраторов. Серверы объединены в кольцо FDDI, в то время как пользовательские станции используют стандарт Ethernet.

РИСУНОК 5.9. Комбинированная  иерархическая топология.

РИСУНОК 5.10. Область рабочих  станций локальной сети.

Магистраль

Магистраль (backbone) локальной  сети выполняет функции межсоединения  всех концентраторов. Область магистрали можно построить в различных  топологиях с помощью нескольких сетевых компонентов (см. рис. 5.13).

Магистраль локальной  сети выполняет очень важную функцию, объединяя все локальные сетевые  ресурсы и, если это возможно, глобальную сеть. Логическое определение магистрали можно дать несколькими способами.

Выбор корректной топологии  магистрали локальной сети представляет собой далеко не простую задачу. Некоторые варианты весьма привлекательны с точки зрения стоимости, их проще  реализовать и настроить. Другие требуют дополнительных вложений и  сложны в реализации. Следует также  учитывать возможность расширения различных магистральных топологий. Некоторые топологии даже после  расширения требуют дополнительных затрат на обеспечение приемлемого  уровня производительности. Все возможные  варианты должны быть тщательно проанализированы исходя из конкретных требований.

Последовательная  магистраль

Представленная на рисунке 5.14 последовательная магистраль (serial backbone) представляет собой не что иное, как набор концентраторов, соединенных  в последовательную цепочку. Как  уже указывалось в предыдущих разделах, подобную топологию целесообразно  использовать только в небольших  сетях.